ATFの現状2003
早野仁司、およびATFグループ
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0801茨城県つくば市大穂1‑1
チ発生での諸問題を解決し1x1010程度で20バンチの均一強度高品質ビームをリングに損失なく入射できる電子銃としてマルチバンチフォトカソードRFリニアコライダー加速器入射部の低エミッタンガンを開発している。低出力マルチバンチレー
スビーム生成開発を行っている試験加速器
ザ ー (2 4µJ/pulse) を 使 用 す る の で 、 CERNや（ ATF ） で は 、 シ ン グ ル バ ン チ お よ び マ ル チ バ ン
DESYで実績のある量子効率が高く高電界RF場中でチにおいて目標エミッタンス達成の後、さらなるも量子効率寿命の長いCe2Teカソードを使用する事低エミッタンスの達成と高安定なビーム生成を目とした。このためフォトカソード研究に実績と経標に研究開発が進められている。ダンピングリン
験の深い名古屋大チームと共同でカソードのローグ部のビーム位置モニター回路は全数高分解能型ドロックシステムを開発し、高真空をやぶる事なに置き換えられ、軌道調整とディスパージョン調
く カ ソ ー ド 蒸 着生成できそれをRF空胴中に装着で整 を 高 精 度 に 行い、１％のエミッタンス比を0.5%
き る よ う に し た 。 RFガ ン 空 胴 は BNL型 空 胴 の カに減らす事ができた。また、熱陰極電子銃はマル
チバンチフォトカソードRF電子銃に置き換えられ、 ソード端板を改造する事で、交換可能なフォトカ
ソ ー ド を 取 り 付 け ら れ る よ う に し た 。 空 胴 はKEK
マルチバンチでの高品質ビーム生成をリニアックの工作センターで加工からロ 付けまで行い高精において行っており、リングへの入射時のビーム度な空胴を製作した。一方、マルチバンチレー損失を極力減らすようにしている。平行してレーザ ー は 放 医 研 の チ ー ム の 協 力 を 得 る 事 が で き ATF
ザーワイヤーモニターのX、Y両方向検出という高度 化 、 X線SRモニターの開発、ODRモニターの開発などの先端的モニターの研究、空洞型ビーム位置モニターや高速フィードバックによるnmビーム位
置 制 御 の 研 究 も 進 め ら れ て い る 。 本報告ではエミッタンス開発について、そして各種エミッタンスモニターの開発状況およびnmビーム位置制御の研究についての現状報告を行う。

概要

１．はじめに2002年秋から2003年夏までのATF運転はマルチバンチでの低エミッタンスビーム生成とマルチバンチ時の縦方向ビーム振動の原因解明、シングルバンチでのさらなる低エミッタンスビーム生成を目標にビーム開発が行われてきた。平行して低エミッタンスビームのための各種モニターの開発が行われてきている。一方、リニアックの方は2002年夏の保守期間に熱陰極電子銃をマルチバンチ
フ ォ ト カ ソ ー ド RF 電子銃に置き換え、2002年10月
か ら2003年6月まで継続的に運転を続けて経験と改良を重ねてきた。その結果入射ビームの品質が向上 し 、 電 子 銃 出 力 か ら リ ン グ へ の 入 射 効 率 が 50%程 度 で あ っ た の が 90~100%へ と 改 善 さ れ て ビ ー ム
損失が減少している。 本報告ではリニアックでのビーム品質改善の状況、ダンピングリングでのシングルバンチおよびマルチバンチエミッタンス開発の状況、あわせて進められているマルチバンチビームモニターや新たなエミッタンスモニターなどの開発状況を報告する。

２ ． マ ル チ バ ン チ フ ォ ト カ ソ ー ド RF電 子 銃
ATFリ ニ ア ッ ク で は 熱電子銃からのマルチバンでの共同試験が可能となった。
図１ RF電子銃の断面図

図 ２ フォトカソードブロック。表面の茶色の部 分 が Cs2Te 蒸着膜部分。このブロックが空胴端版に挿入される。
出力されるビームの品質はレーザーの品質に大きく左右されるが、１バンチから２０バンチまで自由にパルス数を選択できかつ一様な強度のビームにするために高速切り出しが可能なポッケルスセルを導入した。また、従来から使用されていた浅い角度からのレーザー斜め入射をやめ、下流ビームライン近傍ミラーから入射するほぼ垂直な入射方法に変更した。また、レーザーの入射位相のみを調整できるようにレーザー基準信号系に位相器を導入した。レーザー自身のプロファイルについては今後の改善が必要であるが、得られている 典 型 的 ビ ー ム エ ミ ッ タ ン ス は ε n=4x10-6 rad.m(2x109/bunch intensity)であり、ビーム強度ジッターは３ １０％程度である。またレーザーのポインティングスタビリティーの悪さから発生しているスもなく一様に全投影エミッタンスと一致している。残る問題点はマルチバンチ時に縦方向振動が発生し、バンチトレインの後方になるに従って振動振幅が大きくなるという現象が観測されている。
こ れ は エ ミ ッ タンスには影響を与えないが後方バンチがバンチ自体としてエネルギー振動を起こしている現象である。シミュレーションによるとR/Q= 40、 Q= 1000程度で起こるものと予想されるがそのようなインピーダンスは加速空胴ぐらいにしか予想されない。現在加速空胴との関連を調べている。

４．低エミッタンスビームモニターの開発
2002年 秋 か ら 2003年 夏 ま で に 改 造 な ど が 行 わ れ
進展のあったモニターについてのみ報告する。

4.1 リング内ビームのレーザーワイヤーモ
ニターによる測定と考えられるリニアック中の軌道ジッターは下流の ほ う で 数 100µmにもなる。ビームの強度ジッターや軌道ジッターについてはまだまだ改善の必要性がある。
図３ ATF リニアックで使用中のRF電子銃空胴部とロードロックシステム部。

３ ． マルチバンチ低エミッタンスビーム生成マ ル チ バ ン チ RF電子銃による低損失リング入射が実現できたのでリング蓄積電流が規定最大電流70mA近くまで上げる事ができるようになった。この電流によるリング焼き出し運転によりリング内の 真 空 度 を さ ら に 下 げ る 事 が で き 、 現 在 で は 0.4x10-6 paに改善している。これと相まってリング内のビーム位置モニター回路を全数更新し、分解能20 30µmだ っ た も の を 3µmのものに置き換えた。
こ の 変 更 に よ りBBA測定が再現性よくかつ高精度になり、ディスパージョン測定やカップリング測定が信頼できるものとなった。そしてそれらの補正 を 施 す 事 に よ り 再 現 よ く 従 来 の 半 分 の Y方向エミッタンスを生成できるようになった。レーザー
ワ イ ヤ ー に よ る Y方向エミッタンスはシングルバンチ、マルチバンチともにバンチ強度で比較する
nと 矛 盾 な く ε y =1.5x10-8 rad.mと得られデザイン目標
値 の 半 分 で あ っ た 。 レーザーワイヤーの測定においては全バンチの全投影計測の他、個々のバンチのビームサイズも計測できるように改造されており、個々のバンチのエミッタンスも特別なグロー

リング内でのエミッタンスモニターとして北直線 部 に 設 置 さ れ て い る レ ー ザ ー ワ イ ヤ ー は 2002年
夏 に 改 造 さ れ X方向とY方向のビームサイズ計測ができるようになり、さらに使用しているレーザーの大出力化により測定統計数を大きくできるように な っ た た め S/N比 の 増 大 お よ びマルチバンチの個々のビームサイズも短い時間で計測できるように な っ た 。 X 方向のサイズ計測のための垂直ワイ
ヤ ー と Y方向計測のための水平ワイヤーは別々のチェンバー内の別々のオプティカルキャビティーで生成され、入射するレーザーは光路を切り替えて 使 用 す る よ う に な っ て い る 。 Y方向を測定する
水 平 ワ イ ヤ ー の サ イ ズは5µm程度であるので電子nビームサイズ5 6µm (ε y =~1.0x10-8 rad.m)が測定限界
nで あ る 。 現 在 の 測 定 値 7.2µm(ε y =1.5x10-8 rad.m)は測定限界に近いものである。

図 ４ Xワイヤー（手前のチェンバー）とYワイヤー（奥のチェンバー）を備えたレーザーワイヤー装置。

4.2 リング内ビームのX線SRモニターによる測定
2001 年 夏 か ら X線ビームラインが設置され2002
年 5月になって周回ビームのイメージングに成功
し た X 線 を 利 用 し た SR モニターは、測定精度や安定 性 を 増 す た め の 各種改造の後に2003年６月からビーム位置やエネルギーの安定化、取り出しキッ再稼働している。現在立ち上げ調整中であるが、カーの安定化、そしてnmを検出できるビーム位置
き れ い な ビ ー ム 像 が X線 CCD上に観測されており、 モニター開発などが必要である。現在BINP研究所
X方 向 45 μ m 、 Y方向7μmという測定値が得られてと の 共 同 開 発 で あ る 空胴型ビーム位置モニターをい る 。 こ れ か ら Y 方向のエミッタンスを計算する
３台並べて高分解能回路のテストをSLACと共同でとレーザーワイヤーや SR干渉計の結果より３倍ほ行っている。現在までに得られている最高分解能
ど大きく、まだ検討が必要である。今後は光学系
は 0.13 μ m で あ り 、 モ ニ タ ー の 振 動 安 定 性 や 空 胴の微細調整を行い信頼できるビームサイズ計測が間の相対アライメントのための高精度ムーバーのできるようにし、さらにリアルタイムエミッタン開発、さらなる高分解能回路の開発などを行ってスモニターとして使用できるように遠隔制御ソフいる。また、トレイン内ビーム位置制御のためのトウェアを導入する予定である。
高速フィードバックシステムも検討中でありnm領域での位置制御の実現を目指している。

4.3 回折放射を用いたビームサイズモニターの開発

回折放射光は金属ターゲットの端ぎりぎりのところをビームが通過したときに金属端から放射される光であり、この光を利用すれば不要な放射線発生のないリニアック中で使用できるビームサイズモニターが実現する。この原理実証をするべく
回 折 放 射 ビ ー ム サ イ ズ モ ニ タ ー(ODRモニター)の提 案 が 東 京 都 立 大 と ト ム ス ク 大 よ り な さ れ ATFと共同開発を行っている。可視光領域での回折光自体 は 世 界 に 先 駆 け て 2001 年12 月に観測しており、現在はスリットターゲットを使用してスリット中をビームが通過した時スリット両端からの回折放射 光の干渉検出を行っている。ビームサイズは干渉の度合いから推定される。問題はビームライン上流からビームとともにやってくるベンドマグ
図 ６ 高 分 解 能 開 発 の た め の ３ 空 胴 BPMセット
ネ ッ ト や Q マ グ ネ ッ ト に よ る SR光がバックグラウアップ。
ンドとして重なる事である。現在このバックグラ
ンド光をいかにして最小にするかの研究をしてい５．今後の課題と展望る段階である。
マルチバンチのエミッタンスはシングルバンチ時と同等というところまで下げる事ができているが、縦方向振動が起きておりその原因についてはリングのRF空胴のHOMが疑われている。空胴の精密な温度制御を施して縦方向振動を最小化できるようにする予定である。また、運転できる最大電流値の更新を申請中であるが、許可後直ちにリニアコライダーでのビーム強度 (7x109/bunch intensity)でのマルチバンチ低エミッタンスビーム生成の確認を急ぎたいと考えている。より長い展望としてATFにおいてnm領域でのビーム位置制御の実現を検討しているが、そのためのリングビームの超安定化、取り出しダブルキッカーによる超安定取り出し、高速フィードバックによる超ビーム安定化の開発を行っていく予定である。
図 ５ ODRモニターチェンバー。ビームは右側から入射し、ODR光は下側に放射される。

4.4 空胴型高分解能ビーム位置モニター
ATFの 取 り 出 し ビ ー ム を 使 用 し nmでのビーム位置制御の研究を行いリニアコライダーの衝突点での ビ ー ム 衝 突維持制御を開発する計画の検討が始まっている。このためにはダンピングリングの

６．謝辞
ATFの 運 転 維 持 お よ び 開 発 研 究 は シ フ ト に 参 加
しビーム開発を担当してくださる皆様と、技術サポートをしてくださる（有）イーキューブ、（株）関東情報サービスの方々によって行なわれています。あらためてここに感謝致します。さらに、本著者は戸塚機構長、神谷加速器研究施設長、

黒川加速器総主幹、榎本加速器第３研究系主幹の方 々 お よ び GLC計画関連の方々のご理解とご指導に 感 謝 致 し ま す 。 ま た 、 こ こ に 報 告 し ま し た ATFの研究開発が皆様の研究の一助になれば幸いと思います。